[논문]에너지 하베스팅 무선 센서네트워크에서 에너지균형을 위한 라우팅프로토콜

Kang, Min-Seung; Park, Hyung-Kun

doi:10.6109/jkiice.2020.24.5.666

에너지 하베스팅 무선 센서네트워크에서 에너지균형을 위한 라우팅프로토콜
Routing Protocol for Energy Balancing in Energy Harvesting Wireless Sensor network 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.24 no.5, 2020년, pp.666 - 669

Kang, Min-Seung (Department of Electrical Electronic & Communication Engineering. KOREATECH) , Park, Hyung-Kun (Department of Electrical Electronic & Communication Engineering. KOREATECH)

Abstract ▼ AI-Helper

Energy harvesting sensor networks have the ability to collect energy from the environment to overcome the power limitations of traditional sensor networks. The sensor network, which has a limited transmission range, delivers data to the destination node through a multi-hop method. The routing protocol should consider the power situation of nodes, which is determined by the residual power and energy harvesting rate. At this time, if only considering the magnitude of the power, power imbalance can occur among nodes and it can induce instantaneous power shortages and reduction of network lifetime. In this paper, we designed a routing protocol that considers the balance of power as well as the residual power and energy harvesting rate.

주제어

표/그림 (2)

그림 Fig. 1 RREQ packet for proposed routing protocol.
그림 Fig. 2 The variance of residual energy according to the variance of energy harvesting rate.

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 에너지 하베스팅 센서 네트워크에서 노드들의 잔여전력과 에너지 수집률을 기반으로 한 라우팅 프로토콜을 설계하였다. 제안된 라우팅 프로토콜에서는 잔여전력과 에너지 수집률과 같은 전력 상황을 고려하기 위해 밧데리의 평균에너지 잔량과 분산 값을 업데이트하며 여러 경로 중 에너지 잔량이 높고 에너지의 분산값이 작은 경로를 선택하도록 하였다.
이를 위해 본 논문에서는 현재의 잔여전력과 에너지 수집률 그리고 잔여전력의 균형성을 나타내는 분산값을 이용하여 새롭게 각 경로의 비용값을 정의하고자 한다. 라우팅은 기존의 AODV방식을 기반으로 한다.

가설 설정

수행하였다. 네트워크 상의 전체 노드의 개수는 36개를 균일하게 배치하였으며 밧데리용량은 3mJ로 하였고 에너지 수집율의 평균값은 1~6mW로 하였고 가우시안 분포를 갖는 것으로 가정하였다. 본 논문의 에너지 하베스팅 센서네트워크 환경과 유사한 환경의 실험에서 관련 시뮬레이션 파라미터를 참고하였다 [9].
에너지 수집율을 고려한 전력상태는 다음 식 (2)과 같이 전송주기 _후의 에너지 잔량 __으로 표현할 수 있다. 단, 현재 데이터를 전송한다는 가정하에 충전시간 _후에 충전을 통해 노드에 남는 예상 잔여에너지를 계산한다.

제안 방법

본 논문에서는 에드혹 네트워크 환경에서 주변 노드들의 전력정보에 대한 주기적인 수집 없이, 노드들의 잔여전력과 에너지 수집율과 같은 전력상황 뿐 아니라 경로상의 노드들의 에너지균형성을 동시에 고려하여 네트워크 수명을 늘릴 수 있는 라우팅프로토콜을 제안하고 시뮬레이션을 통해 그 성능을 분석하였다.
본 논문에서는 제안된 에너지균형 라우팅 프로토콜의 성능을 분석하기 위하여 MATLAB을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 네트워크 상의 전체 노드의 개수는 36개를 균일하게 배치하였으며 밧데리용량은 3mJ로 하였고 에너지 수집율의 평균값은 1~6mW로 하였고 가우시안 분포를 갖는 것으로 가정하였다.
제안된 라우팅 프로토콜에서는 잔여전력과 에너지 수집률과 같은 전력 상황을 고려하기 위해 밧데리의 평균에너지 잔량과 분산 값을 업데이트하며 여러 경로 중 에너지 잔량이 높고 에너지의 분산값이 작은 경로를 선택하도록 하였다. 본 라우팅 프로토콜은 에너지 균형성과 전력상황이 우수한 노드들로 라우팅경로를 설정하도록 함으로써 노드의 전력 고갈확률을 낮추고 네트워크 수명을 증가시켜 네트워크를 보다 안정적으로 운영할 수 있도록 하였다.
프로토콜을 설계하였다. 제안된 라우팅 프로토콜에서는 잔여전력과 에너지 수집률과 같은 전력 상황을 고려하기 위해 밧데리의 평균에너지 잔량과 분산 값을 업데이트하며 여러 경로 중 에너지 잔량이 높고 에너지의 분산값이 작은 경로를 선택하도록 하였다. 본 라우팅 프로토콜은 에너지 균형성과 전력상황이 우수한 노드들로 라우팅경로를 설정하도록 함으로써 노드의 전력 고갈확률을 낮추고 네트워크 수명을 증가시켜 네트워크를 보다 안정적으로 운영할 수 있도록 하였다.

이론/모형

라우팅은 기존의 AODV방식을 기반으로 한다. 경로 설정을 위해 RREQ를 수신한 노드들은 지금까지 경로에 대한 평균 예상 잔여전력 및 경로내 노드들의 잔여전력에 대한 분산값을 그림 1과 같이 RREQ 패킷에 실어 함께 전송한다.
네트워크 상의 전체 노드의 개수는 36개를 균일하게 배치하였으며 밧데리용량은 3mJ로 하였고 에너지 수집율의 평균값은 1~6mW로 하였고 가우시안 분포를 갖는 것으로 가정하였다. 본 논문의 에너지 하베스팅 센서네트워크 환경과 유사한 환경의 실험에서 관련 시뮬레이션 파라미터를 참고하였다 [9].

성능/효과

이는 네트워크의 수명을 단축하는 요소로 작용한다. 기존 방식에 비해 노드의 평균전력을 고려한 라우팅의 경우 전력고갈 확률이 줄어듦을 볼 수 있으며 본 논문에서 제안하는 노드 간 에너지 균형을 위한 라우팅방식에서는 노드의 전력고갈확률이 크게 향상됨을 볼 수 있다. 이는 EH-WSN내의 노드들의 전력이 골고루 균형되게 사용되어 전체적인 네트워크 수명이 증가할 수 있음을 보여준다.

참고문헌 (9)

T. Ueda, A. Idoue and E. Utsunomiya, "comparision of routing protocols for wireless sensor networks under battery-powered and energy harvesting conditons" in Proceeding of Asia-Pacific Conference on Communications, pp. 433-438, 2018.
K. Lee and J. Hong, "Resource Allocation for Maximizing Energy Efficiency in Energy Harvesting Networks with Channel Estimation Error," Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, vol.20, no.3, pp.506-512, 2016.

원문보기 상세보기
T. Ruan, Z. J. Chew, M. Zhen "Energy-Aware Approaches for Energy Harvesting Powered Wireless Sensor Nodes," IEEE Sensors Journal, vol. 17, no. 7, April 2017.

상세보기
X. Fei, Y. Wang, A. Liu and N. Cao, "Research on Low Power Hierarchical Routing Protocol in Wireless Sensor Networks," in Proceeding of IEEE International Conferenceon Computational Science and Engineering, pp.376-378, 2017.
R. Divya Vani, "Routing System with diversion in wireless ad hoc Security", Asia-pacific Journal of Convergent Research Interchange, HSST, ISSN : 2508-9080, vol.1, no.4, pp. 41-47. December 2015.
J. Manikannu, V. Nagarajan, "A survey of energy efficient routing and optimization techniques in wireless sensor networks," in Proceeding of International Conference on Communication and Signal Processing (ICCSP), pp.2075-2080, April, 2017.
N. Sah, "Performance evaluation of energy efficient routing in wireless sensor networks," in Proceeding of International Conference on Signal Processing, Communication, Power and Embedded System, pp. 1048-1053, October 2016.
B. P. Welford, "Note on a method for calculating corrected sums of squares and products," Technometrics, vol.4 no.3, pp.419-420, April 2012.

상세보기
Z. A. Eu, H. P. Tan, Winston K.G. Seah, "Design and performance analysis of MAC schemes for wireless sensor networks powered by ambient energy harvesting," Ad Hoc networks, vol.9, issue 3, pp.300-323, May 2011.

상세보기

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증